電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)檢定過程中的問題及解決辦法

呂新超，孫浩琳，王 振，韓少志

（航空工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)主要是由振動臺、功率放大器、振動控制器、加速度傳感器、冷卻裝置等組成的一個閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1 所示[1-2]，可以模擬試驗(yàn)產(chǎn)品所需的振動試驗(yàn)，試驗(yàn)種類主要分為：定頻正弦試驗(yàn)、正弦掃頻試驗(yàn)、隨機(jī)試驗(yàn)、混合振動試驗(yàn)和小量級的沖擊試驗(yàn)[3]。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小到電子元器件，大到整車都需要進(jìn)行振動環(huán)境試驗(yàn)，其目的是檢驗(yàn)產(chǎn)品在振動環(huán)境中工作的可靠性，估算產(chǎn)品壽命，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并找出改進(jìn)方向等，而電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)的檢定合格對模擬振動試驗(yàn)的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵作用，所以國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了《JJG948-2018 電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》，對系統(tǒng)的一些主要性能參數(shù)做出了要求，如失真度、幅值誤差等，需要每年對系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量。筆者在5 年的計(jì)量工作中總結(jié)了一些計(jì)量檢定過程中遇到的問題及解決辦法，以下將分別介紹，希望能夠?yàn)閺V大從事電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)量檢定人員提供一些參考。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

1 試驗(yàn)系統(tǒng)開環(huán)

試驗(yàn)系統(tǒng)開環(huán)是計(jì)量檢測過程中最常見的一類問題，開環(huán)問題的出現(xiàn)會使振動臺無法完成《JJG948-2018電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》中要求的檢定譜，導(dǎo)致計(jì)量工作無法開展。因?yàn)殡妱诱駝釉囼?yàn)系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，其中任何一個部分出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致開環(huán)問題的發(fā)生，如果反饋端出現(xiàn)問題，對于沒有開環(huán)保護(hù)或自檢的控制器開環(huán)的表現(xiàn)形式一般為振動臺會突然以超出所設(shè)計(jì)的額定參數(shù)振動，可能造成功放或臺體不可逆損壞，如果是輸出端開環(huán)會導(dǎo)致試驗(yàn)無法啟動，控制器控制界面自動停止并報(bào)錯“開環(huán)”。出現(xiàn)開環(huán)問題，我們需要逐個部分進(jìn)行排查。

1.1 反饋端開環(huán)

反饋端一般包含：加速度傳感器、電荷放大器、控制器輸入端[4]。反饋端開環(huán)會導(dǎo)致控制系統(tǒng)接收不到設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，從而給功率放大器輸出錯誤驅(qū)動電壓參數(shù)，導(dǎo)致功率放大器或振動臺按超過其自身設(shè)計(jì)的參數(shù)振動，對功率放大器的電路系統(tǒng)、振動臺的結(jié)構(gòu)造成不可逆的損壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

反饋端開環(huán)常見的原因有：

1.振動控制器輸入通道設(shè)置中耦合方式錯誤。這種情況是最常見的反饋端開環(huán)原因，由于常見的振動控制傳感器有電壓型和電荷型之分，電壓型傳感器一般在輸入通道設(shè)置中選用IEPE 供電，而電荷型傳感器則需要配合電荷放大器使用，振動控制器的輸入端選擇AC 耦合，如果所使用的振動控制器具有電荷模式，則輸入端選用電荷模式。

2.控制傳感器脫落或損壞。控制傳感器一般是用膠水或者螺釘剛性的固定在臺面上，由于一些振動試驗(yàn)量級較大或者時間較長，可能會導(dǎo)致膠水粘貼不牢或是螺釘松動，從而造成傳感器脫落。如果出現(xiàn)此類問題則需要重新粘貼或安裝傳感器。為以防萬一，最好在試驗(yàn)開始時檢查傳感器是否粘牢裝好。傳感器損壞是較少出現(xiàn)的情況，如果排除其他問題，則可安裝更換新的控制傳感器。

3.接線錯誤。這種情況也是較常見的反饋端開環(huán)原因，因?yàn)檎駝釉囼?yàn)中往往需要粘貼至少一個控制傳感器，當(dāng)有多個傳感器控制時難免造成接線混亂，出現(xiàn)連接錯線的情況。出現(xiàn)這種情況需要耐心地縷好線，并且與控制器的輸入端一一對應(yīng)。

4.電荷放大器設(shè)置錯誤或者故障。這種情況較為少見，出現(xiàn)開環(huán)問題可先檢查電荷放大器的輸入端與輸出端是否接對，耦合方式是否選擇正確。一般的放大器只具有給電荷傳感器供電和放大輸出的作用，較常見的如B&K 公司的2692，但也有少部分電荷放大器還具有給電壓傳感器供電的功能，如恩Endevco 公司的133。使用時要確保電荷放大器設(shè)置正確且設(shè)備完好。

1.2 輸出端開環(huán)

輸出端開環(huán)相對于輸入端開環(huán)出現(xiàn)情況較少，常見的有如下幾種情況：

1.控制器故障或雜波干擾過大。作為輸出信號的控制器可能由于使用不當(dāng)導(dǎo)致輸出板卡損壞，從而無法正常輸出信號，如果排除反饋端問題后，系統(tǒng)開環(huán)問題仍未解決，可以采用控制器做自閉環(huán)的方法來排除是不是控制器自身的問題。如果使用環(huán)境中地線未接好可能導(dǎo)致控制器雜波干擾過大，進(jìn)而導(dǎo)致控制信號淹沒在雜波信號中，或者超出目標(biāo)譜的停止線（一般控制器目標(biāo)譜報(bào)警線為±3dB，停止線為±6dB，反饋信號超過目標(biāo)譜停止線會判定為試驗(yàn)失?。┻@種情況也會導(dǎo)致控制器報(bào)開環(huán)故障，解決辦法就是為控制器接好地線，或是適當(dāng)增大控制器目標(biāo)普啟動電壓和上升電壓，或者部分控制器可以調(diào)節(jié)超出信號百分比，增大允許范圍。

2.功放增益未打開或輸出信號線斷路。如果功放增益沒有打開或者增益量級太小也會出現(xiàn)開環(huán)現(xiàn)象，解決辦法是打開增益到適當(dāng)量級，如不計(jì)量設(shè)備的極值，則一般功放增益設(shè)置為最大值的80%。輸出信號斷路需更換新的信號線。另外，有些功放具有前端后端兩個輸入端，操作時需注意信號線接入端與設(shè)置是否一致。

3.功放觸發(fā)保護(hù)。這種情況較為常見，多是設(shè)備使用不當(dāng)造成。常見的保護(hù)情況有：功放過熱；激勵電壓或電流過大；振動臺體或者功放溫度過高；超過臺體設(shè)計(jì)的最大位移、速度、加速度等。功放過熱情況較為少見，如果出現(xiàn)可關(guān)機(jī)待功放冷卻后再開始計(jì)量。激勵電壓或者電流過大一般出現(xiàn)在振動臺極值試驗(yàn)時，如果出現(xiàn)這種情況且沒有廠家專業(yè)人員在場不建議再繼續(xù)試驗(yàn)。電動振動臺分為風(fēng)冷式與水冷式，二者都會出現(xiàn)臺體溫度過高的情況。風(fēng)冷式出現(xiàn)的原因一般為設(shè)備長時間在高溫狀態(tài)下持續(xù)高負(fù)荷的工作或者鼓風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)。解決辦法為停止試驗(yàn)使系統(tǒng)冷卻與更改鼓風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。水冷式臺體過熱一般為內(nèi)外循環(huán)水閥門未開或管道堵塞導(dǎo)致冷卻水流量不足，解決辦法是打開閥門清理管道和確保冷卻水流量充足。一般來說振動臺內(nèi)部循環(huán)水溫最高可以為65℃，冷卻水溫過高不會影響設(shè)備本身技術(shù)指標(biāo)，可以對設(shè)備進(jìn)行計(jì)量，水溫一旦超過65℃，則功放會啟動保護(hù)功能，無法啟動，導(dǎo)致設(shè)備輸出端開環(huán)。

4.臺體或功放故障。這種情況一般功放內(nèi)部模塊警報(bào)燈會閃爍，故障原因多種多樣，在此不一一闡述。這種情況出現(xiàn)建議直接聯(lián)系廠家售后人員，對損壞模塊進(jìn)行維修或更換。

開環(huán)問題是計(jì)量電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)中最常見也是出現(xiàn)情況最多的問題，出現(xiàn)開環(huán)問題后要冷靜思考，用排除法逐一排查。一般的經(jīng)驗(yàn)是優(yōu)先對系統(tǒng)的隨機(jī)功能進(jìn)行檢定，因?yàn)榇蠖鄶?shù)控制器具有隨機(jī)自檢功能，如果系統(tǒng)存在開環(huán)，則可在自檢中查出，降低設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，排查故障過程中一定要關(guān)閉功放增益，避免檢查系統(tǒng)線路時人體所帶的靜電通過輸入線驅(qū)動功放，使功放和臺體過載，毀壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

2 加速度諧波失真度過大

加速度諧波失真度是評價電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，波形失真度表示實(shí)際的加速度波形相對于加速度基波波形的畸變程度。國內(nèi)外均統(tǒng)一定義為各次諧波幅值的均方根值與基波幅值之比。即：

式中Ui表示表示加速度波形的基波，二次諧波……n 次諧波的幅值；γ 為波形失真度，規(guī)程要求檢定電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)的諧波數(shù)為5 次諧波，規(guī)程給定的諧波失真度為評率小于20Hz 時失真度應(yīng)不大于±25%，大于20Hz 時，加速度諧波失真度應(yīng)不大于±10%。導(dǎo)致失真度過大的原因也多種多樣，以下將列舉幾種常見的失真度過大的原因和解決辦法。

1.振動控制器存在較大噪聲干擾。這種情況較為少見且影響較小，如果出現(xiàn)可將振動控制器接地。

2.臺面加裝的隔熱板或其他附加臺面與臺體動圈之間的沖擊摩擦。如果出現(xiàn)這種情況解決辦法是建議拆除隔熱板或附加臺面后重新計(jì)量。

3.臺體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題。振動臺動圈出現(xiàn)裂紋或結(jié)構(gòu)緊固螺栓出現(xiàn)松動（以風(fēng)冷臺為例）[5]。一般上導(dǎo)輪松動或損壞會導(dǎo)致低頻加速度諧波失真度過大，下導(dǎo)輪松動或損壞會導(dǎo)致振動臺高頻諧加速度波失真度過大，出現(xiàn)這種情況需要停止計(jì)量，聯(lián)系廠家售后人員。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)加速度噪聲過大

規(guī)程要求試驗(yàn)系統(tǒng)加速度噪聲應(yīng)≤5m/s2，加速度噪聲過大可能是控制器或功率放大器內(nèi)部器件噪聲過大導(dǎo)致，需要廠家人員解決。一般來說加速度噪聲過大多是功放、控制器接地不好導(dǎo)致，需要加深地線的深度，確保地線完好。如果有噪聲信號過大的情況，也會導(dǎo)致某些試驗(yàn)控制器自檢不合格，無法開啟規(guī)程所規(guī)定的目標(biāo)譜，解決辦法是適當(dāng)增大啟動電壓，使啟動信號大過噪聲信號。

4 振動加速度幅值示值誤差過大

振動加速度幅值示值誤差是評價系統(tǒng)是否合格的一個重要指標(biāo)，直接影響系統(tǒng)振動試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。規(guī)程規(guī)定振動加速度幅值示值誤差應(yīng)在±10%以內(nèi)，超出此范圍則判定為不合格。以下是幾種常見的導(dǎo)致幅值誤差過大的原因和解決辦法。

1.控制加速度靈敏度設(shè)置有誤。這種情況是最常見的導(dǎo)致幅值誤差過大的原因。出現(xiàn)這種情況時，需要檢查控制加速度傳感器靈敏度是否與振動控制器輸入端的靈敏度一致，如果是電荷傳感器配合電荷放大器使用的反饋方式，也要檢查電荷放大器的輸入端靈敏度值與控制電荷傳感器是否一致，輸出端值與振動控制器輸入端值設(shè)置是否一致。

2.控制傳感器絕緣墊片過厚或未剛性連接在臺面上。這種情況一般會導(dǎo)致系統(tǒng)在高頻時加速度示值誤差過大。解決辦法是可選用剛性更好的絕緣墊片或者改用薄片。要把控制傳感器與動圈剛性連接，不要貼在臺面的隔熱板上（如果有隔熱板建議拆除后重新計(jì)量）。

3.控制傳感器粘貼位置較差。這種情況同樣會導(dǎo)致系統(tǒng)高頻振動時加速度示值誤差過大，建議控制傳感器的安裝位置為靠近臺面中心處最內(nèi)側(cè)螺栓處，可以與螺栓連成一條直線，此處的動圈剛性最好，控制傳感器高頻反饋也較好。

以上就是 本文對于計(jì)量電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)中遇到的一些常見問題與解決辦法的總結(jié)，電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)在振動計(jì)量設(shè)備中是較為復(fù)雜的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜出現(xiàn)的不正常狀態(tài)也就越多，出現(xiàn)問題需要耐心地逐個排除，重視積累，熟悉后可解決大部分計(jì)量中出現(xiàn)的問題，希望可以通過本文的總結(jié)，為從事電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備的計(jì)量人員提供一定的參考和幫助。